EVALUACIÓN DE TERMOPILAS COMO DETECTORES DE RADIACIÓN IR PARA UN CAPNÓGRAFO

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1 [18] EVALUACIÓN DE TERMOPILAS COMO DETECTORES DE RADIACIÓN IR PARA UN CAPNÓGRAFO J. Folgueras 1, A.E. Portela 1, M.A. García 2 y R.J. Escobar 1 1 Instituto Central de Investigaciones Digitales, La Habana, Cuba 2 Centro de Inmunoensayos, La Habana, Cuba RESUMEN El empleo de un capnógrafo para monitorizar la variación de la concentración de CO 2 en el aire inhalado y espirado por un paciente es una práctica médica frecuente en la actualidad. En el trabajo se presenta la evaluación de termopilas semiconductoras como detectores de radiación infrarroja (IR) para esta aplicación. Se evaluó un total de 19 termopilas de dos tipos diferentes utilizando como transductor CO 2 voltaje una insta-lación experimental idéntica a la empleada en un capnógrafo la preparación de la versión electrónica de sus artículos. Se concluye que ambos tipos de termopilas pueden emplearse como sensores de radiación IR en el capnógrafo que desarro-llan los autores del trabajo. ABSTRACT Using a capnograph to monitor the CO 2 content of the air inhaled or exhaled by a patient is a current practice. The results of the evaluation of thermopiles as infrared (IR) radiation detectors is presented. Nineteen thermopiles of two different models were evaluated, with an experimental CO 2 -voltage converter similar to the one being developed by the authors. It is concluded that both types of thermocouples can be used as IR radiation sensors in the capnograph under development. Key words: Thermopiles, CO 2 concentration, energy intensity, IR radiation, capnograph. Palabras claves: Termopilas, concentración de CO 2, intensidad de la energía, radiación IR, capnógrafo.

2 [19] 1. INTRODUCCIÓN La detección de radiación infrarroja (IR) encuentra apli-cación en múltiples campos. Unas pocas de estas aplicacio-nes son: detectores de incendios, termómetros de radiación (sin contacto), detectores de llamas, analizadores de gases, analizadores de humedad, detección del cuerpo humano, detección de personas con temperatura corporal anormal, etc. Para la detección de la radiación están disponibles en la actualidad diversos dispositivos, que se fundamentan en ser transductores de la radiación que reciben convirtiéndola en una magnitud eléctrica proporcional a su intensidad. Ejem-plo de estos son los dispositivos fotovoltaicos, fotorresisti-vos, diodos especiales, piroeléctricos, etc. Otro tipo es la termopila, que transforma la energía recibida en calor pro-duciendo una variación de la temperatura que, a su vez, actúa sobre un conjunto de termopares generando un voltaje de salida [1]. La termopila es un dispositivo especializado formado por la unión serie de varias decenas de termopares. Resulta obligado pensar que, considerando dimensiones de los ter-mopares ordinarios y las posibilidades típicas para su pro-ducción sería muy difícil, si no imposible, lograr este con-junto de termopares interconectados en un área pequeña inferior a 5 mm2. La aplicación de las termopilas como detectores de radiación IR no es novedosa, pero sí de actua-lidad; prueba de ello la dan sus diversas aplicaciones ya mencionadas anteriormente. La variante que se emplea con mucho éxito en la actuali-dad es fabricar la termopila con el auxilio de tecnologías típicas de la microelectrónica, donde los termopares ya no son discretos, sino integrados y con dimensiones micromé-tricas. Por esto es posible lograr un dispositivo sensible a la radiación IR con pequeñas dimensiones y valores razona-bles de la sensibilidad, todo en un volumen reducido. En la figura 1 se muestra el esquema interno de una ter-mopila formada por 44 termopares semiconductores [2]. Fig. 1 Esquema interno de una termopila con varias decenas de termopares semiconductores. El área activa (al centro) es de 2x2 mm2 y el diámetro del encapsulado TO5 es de 1,2 mm (círculo exterior) [2]. Al contrario de los termopares discretos en uso corriente, la tensión de salida de una termopila está en el orden de decenas de microvolt. Los autores de este trabajo están desarrollando un capnó-grafo para la determinación de CO2 en el gas inspirado o espirado por una persona, lo que encuentra especial utilidad en estimar el estado de un paciente que se encuentra bajo anestesia profunda o que, habiendo tenido un paro cardiaco, fue desfibrilado y es trasladado al hospital. El objetivo de este trabajo consistió en el ensayo de labo-ratorio de dos tipos diferentes de termopilas para evaluar su posible aplicación en el transductor de CO2 para el capnó-grafo que desarrollan los autores, empleando una instalación experimental semejante a la que se utiliza en este último. 2. MATERIAL Y MÉTODOS Se utilizó un total de 19 termopilas semiconductoras, nueve del tipo X y diez del tipo Y, ambas con dimensiones reducidas y filtro pasa banda con λ=4,26 μm, longitud de onda para la cual el CO2 presente en la muestra gaseosa analizada tiene el máximo valor de la absorbancia. El diagrama de la instalación experimental empleada se muestra en la figura 2, formada por un espejo elíptico B al que se ha acoplado una lámpara

3 [2] incandescente A con fila-mento de tungsteno [3] como fuente de radiación IR, de tal forma que el filamento de la lámpara coincide con un foco de la elipse. La radiación IR que emite la lámpara puede variarse cambiando el valor de la intensidad de su corriente de filamento. Por esta razón y para mantener constante el valor de la radiación IR, el filamento de la lámpara se ali-mentó con una fuente de corriente. Los rayos incidentes en el espejo son reflejados y con-centrados en el otro foco de la elipse, donde se encuentran la termopila y el filtro pasa-banda de 4,26 μm. Como res-puesta a la radiación IR, la termopila C genera un voltaje de salida de pequeño valor, del orden de las decenas de micro-volt y es imprescindible emplear un amplificador D para lograr una señal de voltaje adecuada para ser aplicada al procesador que calcula la concentración de CO2 en el gas analizado. El adaptador E es atravesado por el gas que respira o es-pira el paciente, que absorbe radiación IR en dependencia de la concentración de CO2. Por tanto, el voltaje de salida Vout del amplificador será dependiente de la radiación absorbida. Se realizaron ensayos con y sin el adaptador, empleando dos tipos diferentes de adaptadores, lo que será objeto de un próximo trabajo. A. Ganancia de voltaje del amplificador Para las termopilas tipo X se empleó una ganancia de voltaje de 5 para el amplificador D de la instalación experimental de la figura 2, mientras que en el caso de las termopilas tipo Y el valor de la ganancia de voltaje fue de. Como objetivo, en ambos casos, se deseaba una señal a la salida del amplificador con un valor aceptable para su análisis posterior, entendiendo por aceptable un valor que pueda ser procesado por un conversor AD. Paciente A B Fig. 2 Esquema simplificado de la instalación experimental. El flujo de gas inspirado o espirado por el paciente atraviesa el adaptador E, por lo que el C Suministro de gas E Salida Vout D valor de Vout dependerá de la concentración de CO2 en el gas analizado. B. Dependencia del voltaje de offset con la temperatura Se determinó la dependencia con la temperatura del vol-taje de offset de cada conjunto termopilaamplificador, man-teniendo la instalación de medición en un ambiente cerrado, con temperatura controlada con una precisión de ±,2 K, en la gama de 298 K a 31 K (25 C a 27 C). C. Característica transferencial La pendiente de la característica transferencial del con-junto compuesto por la termopila y la lámpara incandescen-te puede interpretarse como la ganancia transferencial del sistema, expresada por la ecuación (1): ΔVo = Δ I = K T ΔVo = (1) ΔI donde: KF es la ganancia transferencial del conjunto, VO es incremento en el voltaje de salida y I es el incremento en la corriente del filamento. La corriente de filamento depende del valor de la fuente que lo alimenta, que se varió en incrementos de,1 V. Para el cálculo de KF se utilizó una aproximación lineal por tra-mos en las características V-I medidas, de acuerdo a las ecuaciones (2) y (3). [ V O V ]/ ( n+ 1) O( n 1) [ I n I ]/ + 1 n 1 y (2) (3) Se midió la tensión VO, para cada valor de la intensidad de la corriente de filamento. También se midió el voltaje de offset de cada salida a temperatura ambiente que, posterior-mente, se restó de cada valor de VO para compensar su efec-to y dibujar las curvas correspondientes. 3. RESULTADOS En la figura 3 se ilustra el comportamiento del sistema de la figura 2 para las nueve termopilas X, corrigiendo el volta-je de offset de cada una de ellas, mientras que en la figura 4 se muestran los resultados correspondientes a las termopilas Y, donde se siguió el mismo procedimiento anterior.

4 [21] El voltaje de offset medido promedio a temperatura am-biente (3 K) para Vout de las termopilas X fue de 1,7 V ±,2 V mientras que, para las termopilas Y, se determinó un valor de 5,6 mv ±,5 mv. Para las termopilas X, el valor máximo promedio del voltaje de salida medido Vout para las curvas mostradas en la figura 3 resultó igual a 3,49 V ±,2 V, mientras que para las termopilas Y, con las características de la figura 4, el valor fue de,7 V ±,2 V. Vout (V) Termopilas X1 a X Fig. 3 Característica V-I del sistema de la figura 2 para las termopilas X. Vout (V),8,6,4,2 Termopilas Y1 a Y Fig. 4. Característica V-I del sistema de la figura 2 para las termopilas Y. En la figura 5 se ha representado la dependencia de la ganancia transferencial KT con la intensidad de la corriente de filamento de la lámpara para la termopila X3. KT Termopila X Fig. 5. Ganancia transferencial del sistema de la figura 2 para la termopila X3. La ganancia está expresada en. De la característica transferencial de la figura 5 es necesario distinguir tres zonas. 1. Ganancia pequeña. 2. Ganancia creciente. 3. Ganancia constante. 4. DISCUSIÓN Cada capnógrafo cuenta con un transductor de concen-tración de CO2 a voltaje, que no es más que una instalación de medición igual a la de la figura 2, pero con un volumen reducido del orden de 2 cm3 para facilitar su manipulación por el personal médico. Por consiguiente, no es difícil ver que cada transductor estará sujeto a las desviaciones individuales de las características del espejo, la lámpara incandes-cente y la termopila. Lo anterior, sin embargo se considera de poca trascendencia, puesto que cada transductor se cali-bra individualmente, disminuyendo la influencia de las variaciones en las características individuales de sus com-ponentes. En cuanto a las características mostradas en las figuras 3 y 4 se puede ver que para cada tipo de termopila existe una dispersión reducida en sus características V-I, que los auto-res de este trabajo consideran aceptable. Los valores del voltaje de offset medidos son también aceptables para la aplicación a que se destinan las termopi-las. El hecho de tener una zona con valor de KT constante su-giere el empleo de un cierto valor de intensidad de corriente para la lámpara, de forma que el punto de operación estático se encuentre situado en esa zona. Todas las termopilas presentan una dependencia de KT semejante a la mostrada.

5 [22] En el caso de las termopilas tipo X para valores de co-rriente superiores al máximo mostrado en la figura 3 (~ 5 ma) se comienza a producir la saturación del amplificador, lo que indica que la corriente del punto de operación del sistema debe ser inferior a este valor. A modo de resumen, el objetivo de este trabajo se ha cumplimentado, puesto que los resultados mostrados con anterioridad permiten concluir que ambos tipos de termopi-las pueden utilizarse ventajosamente en el sensor para cap-nografía, que desarrollan los autores, para detectar la con-centración de CO 2. consultado en Jun 15, 28. [3.] Folgueras J, Portela AE, García MA, Escobar JR (29). Ensayo preliminar de lámparas incandescentes con filamento de tungsteno pa-ra un capnógrafo, presentado al VIII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería, La Habana, Cuba. 5. CONCLUSIONES Se han comparado entre si dos tipos de termopilas semi-conductoras con el fin de evaluar su aplicabilidad como detectores de radiación IR en un sensor de capnografía. Los resultados muestran que las características V-I de cada tipo son semejantes con una dispersión pequeña de la característica promedio. Los valores de voltajes de offset promedio son semejantes para cada tipo de termopila, con una dispersión pequeña como se describe en el trabajo. Atendiendo a lo anterior se concluye que ambos tipos de termopilas pueden utilizarse ventajosamente en el sensor para capnografía, que desarrollan los autores, para detectar la concentración de CO2. REFERENCIAS [1.] HAMAMATSU (24). Characteristics and use of infrared detectors, Technical information SD12, consul-tado en junio 15, 28. [2.] Dexter Research Center Inc (25). Thin film based thermopile detector,

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